IBM發(fā)布1121量子比特芯片！

12月5日消息，當地時(shí)間周一，IBM公布了全新的量子計算芯片路線(xiàn)圖，其中包括了名為“禿鷹（Condor）”的量子處理器，這是迄今發(fā)布的最大的基于Transmon的量子處理器，擁有1121個(gè)超導量子比特。

同時(shí)，IBM還推出了基于三個(gè)“鷺（Heron）”芯片的組合，每個(gè)芯片都有133個(gè)量子比特。像Heron和它的繼任者“火烈鳥(niǎo)（Flamingo）”這樣的較小芯片將在IBM的量子路線(xiàn)圖中發(fā)揮關(guān)鍵作用 —— 該路線(xiàn)圖也得到了重大更新。

基于這一更新，IBM將在2030年代末實(shí)現糾錯量子位的工作，這是通過(guò)對Flamingo芯片的幾次迭代中對單個(gè)量子位的改進(jìn)而實(shí)現的。雖然，這些系統可能不會(huì )將現有的加密方案置于危險之中，但它們應該能夠可靠地執行比我們今天所能做的任何事情都復雜得多的量子算法。

IBM 高級副總裁兼 IBM 研究院院長(cháng)達里奧·吉爾 (Darío Gil) 表示：“我們正在進(jìn)入一個(gè)時(shí)代，量子計算機將被用作探索科學(xué)新領(lǐng)域的工具。IBM 不斷發(fā)展量子系統如何通過(guò)模塊化架構擴展和提供價(jià)值。通過(guò)這樣做，我們希望進(jìn)一步提高實(shí)用程序的質(zhì)量-擴展量子技術(shù)堆棧，并將其帶到正在突破更復雜問(wèn)題極限的用戶(hù)和合作伙伴手中?！?/p>

IBM公司宣布的一切，包括現有的處理器，未來(lái)的路線(xiàn)圖，未來(lái)幾年機器的用途，以及使這一切成為可能的軟件。但要了解該公司在做什么，我們必須回顧一下整個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。

量子位和邏輯量子位

使用量子位的幾乎每個(gè)方面都容易出錯。設置其初始狀態(tài)、維護該狀態(tài)、執行操作以及讀出狀態(tài)都可能引入錯誤，從而使量子算法無(wú)法產(chǎn)生有用的結果。因此，每個(gè)生產(chǎn)量子硬件的公司的主要關(guān)注點(diǎn)都是限制這些錯誤，并且在這方面取得了很大進(jìn)展。

有跡象表明，這些進(jìn)步現在已經(jīng)讓我們有可能在現有硬件上執行一些更簡(jiǎn)單的量子算法。這種潛力很可能會(huì )擴展到進(jìn)一步的算法中，這要歸功于我們在未來(lái)幾年可能會(huì )看到的改進(jìn)。

然而，從長(cháng)遠來(lái)看，我們不太可能讓量子比特硬件達到錯誤率足夠低的地步，以至于處理器可以成功完成可能需要在數小時(shí)計算中進(jìn)行數十億次運算的復雜算法。為此，人們普遍認為，我們需要糾錯的量子比特。這涉及到將一個(gè)量子比特 —— 稱(chēng)為“邏輯量子比特” —— 持有的量子信息分散到多個(gè)硬件量子比特。附加的量子比特被用來(lái)監視邏輯量子比特的錯誤并允許它們的糾正。

使用邏輯量子位進(jìn)行計算需要兩個(gè)條件。一個(gè)是單個(gè)硬件量子位的錯誤率必須足夠低，以便在新錯誤發(fā)生之前識別和糾正單個(gè)錯誤。（有跡象表明，硬件足夠好，可以以部分效率工作。）你需要的第二件事是大量的硬件量子位，因為每個(gè)邏輯量子位需要多個(gè)硬件量子位才能工作。一些人估計，我們需要一百萬(wàn)個(gè)硬件量子位來(lái)制造一臺能夠承載大量邏輯量子位的機器。

IBM現在表示，預計到本十年結束時(shí)，它將擁有有用數量的邏輯量子位，IBM 院士兼IBM Quantum的副總裁杰伊·甘貝塔（Jay Gambetta）解釋了昨天的公告如何符合這一路線(xiàn)圖。

量子位和門(mén)

甘貝塔表示，該公司一直在采取雙管齊下的方式來(lái)準備硬件。其中一個(gè)方面是開(kāi)發(fā)持續制造大量高質(zhì)量量子比特的能力。他說(shuō)，1000+量子比特的Condor表明，該公司在這方面處于良好狀態(tài)。甘貝塔說(shuō)：“它的量子位大約小了50%，收益率就在那里 —— 我們的收益率接近100%?！?/p>

IBM一直致力于的第二個(gè)方面是限制在單個(gè)或對量子比特進(jìn)行操作時(shí)發(fā)生的錯誤。這些操作稱(chēng)為門(mén)，它們本身可能容易出錯。改變量子比特的狀態(tài)會(huì )產(chǎn)生微妙的信號，這些信號會(huì )滲入鄰近的量子比特，這種現象被稱(chēng)為串擾。Heron是新處理器中較小的一款，代表了四年來(lái)提高柵極性能的努力。甘貝塔說(shuō)：“這是一個(gè)漂亮的設備，它比以前的設備好五倍，誤差要小得多，而且串擾無(wú)法真正測量?！?/p>

許多改進(jìn)都歸結為在量子比特上引入了可調諧耦合器，這是該公司以前使用的固定頻率硬件的一種改變。這加快了所有門(mén)的運行速度，有些門(mén)的運行速度提高了10倍。你花在量子位上的時(shí)間越少，出現錯誤的機會(huì )就越少。

該公司于2021年首次推出Eagle芯片，其中許多改進(jìn)都在該芯片的多次迭代中進(jìn)行了測試。該公司的新路線(xiàn)圖將看到明年發(fā)布的133量子位Heron的改進(jìn)版本，將實(shí)現5000個(gè)門(mén)操作。接下來(lái)將是明年的156量子位Flamingo處理器的多次迭代，到2028年，該處理器的門(mén)運算次數將達到1.5萬(wàn)次。

這些芯片還將連接在一起，形成更大的處理器，如Crossbill和Kookaburra，這些處理器也出現在IBM的路線(xiàn)圖上（例如，七個(gè)火烈鳥(niǎo)可以連接在一起，形成一個(gè)與當前禿鷹具有相似量子比特數的處理器）。這里的重點(diǎn)將是測試在芯片內部和芯片之間連接量子位的不同方式。

使用它們

甘貝塔說(shuō)，穩步提高的錯誤率將有助于人們利用現有的量子硬件完成實(shí)際工作。他強調了IBM今年早些時(shí)候發(fā)表的關(guān)于誤差緩解的論文，該論文表明，對計算過(guò)程中發(fā)生的錯誤的詳細了解，可以用來(lái)從現有硬件中擠出有用的結果。甘貝塔說(shuō)，自從那篇論文發(fā)表以來(lái)，大約有六篇論文在arxiv上使用了類(lèi)似的方法。但更重要的是，我們將展示（我認為現在的數字大約是13個(gè)）我們的用戶(hù)、客戶(hù)和合作伙伴的演示，他們有自己的使用量子計算機作為工具的演示。

雖然，這種方法在某些問(wèn)題（包括模擬通用量子系統）上比經(jīng)典計算的擴展性更好，但它最終會(huì )遇到硬件的限制 —— 甘貝塔提出的問(wèn)題需要大約100個(gè)量子位和10000個(gè)門(mén)。超出這個(gè)范圍需要糾錯的邏輯量子位。

但如上所述，這些現在首次出現在路線(xiàn)圖上。他們是循序漸進(jìn)地這樣做的。邏輯存儲量子比特將在2026年展示，然后在第二年展示量子比特之間的邏輯通信。邏輯門(mén)將在2028年與Starling處理器一起出現，IBM預計將在2029年為Starling的迭代提供完整的軟件包。這將使門(mén)操作大幅增加，從2028年火烈鳥(niǎo)的15000個(gè)門(mén)增加到2029年Starling的1億個(gè)門(mén)。

但Starling可能遠遠達不到制造一個(gè)有用處理器所需的數百萬(wàn)個(gè)硬件量子位。甘貝塔表示，該公司將專(zhuān)注于減少托管一個(gè)強大的邏輯量子位所需的硬件量子位的數量，他指出，該公司今年早些時(shí)候在arXiv上發(fā)布了一份手稿，討論了一種實(shí)現糾錯的替代方案。目前最常用的測試方法（稱(chēng)為“表面代碼”）可能需要多達4000個(gè)硬件量子位來(lái)承載12個(gè)邏輯量子位；手稿中描述的方案僅使用288個(gè)硬件量子位就可以做到這一點(diǎn)。

挑戰在于，這種方法需要量子比特之間的連接，這些量子比特可能在一個(gè)芯片上相距遙遠，或者可能完全在單獨的芯片上。迄今為止，Transmon芯片與最近鄰居的連接有限，這是表面代碼所需要的全部，盡管甘貝塔說(shuō)IBM已經(jīng)證明其封裝技術(shù)能夠支持更長(cháng)的連接。無(wú)論如何，未來(lái)幾代量子處理器的一個(gè)關(guān)鍵焦點(diǎn)將是實(shí)現這些更遠距離的連接。不同類(lèi)型的耦合器將在2024年和2025年出現在路線(xiàn)圖上，如果IBM要實(shí)現其十年目標，它們的高保真度將是絕對必要的。

考慮到這些特性并不是IBM這次宣布的某個(gè)功能的進(jìn)化，它們可能被列為路線(xiàn)圖上風(fēng)險最高的項目。

軟件也很重要

甘貝塔說(shuō)，即使這一切都取得了成功，在這個(gè)十年末發(fā)布的硬件對于破解當今加密所需的復雜算法來(lái)說(shuō)仍然太小。所以，糾錯將會(huì )迎來(lái)這樣一個(gè)時(shí)期，我們的硬件可以進(jìn)行計算，這在經(jīng)典硬件上是不可能的，但不能做我們最終想要用它們做的所有事情。這意味著(zhù)軟件開(kāi)發(fā)將是決定我們在未來(lái)幾年能實(shí)現什么目標的關(guān)鍵。

在這方面，IBM幫助開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為“Qiskit”的開(kāi)源量子SDK，它在程序員可能希望看到的結果與直接向控制量子計算機的硬件發(fā)出命令的需要之間建立了一層抽象。這次的公告包括Qiskit發(fā)布了1.0版本，這表明該API已經(jīng)穩定下來(lái)，未來(lái)的工作將更多地集中在現有技術(shù)的基礎上構建有用的庫。

另外，該公司還修改了其生成式人工智能編碼工具，使其能夠生成在Qiskit上運行的代碼。

甘貝塔表示：“生成式人工智能和量子計算都處于拐點(diǎn)，在 WatsonX 上使用可信的底層模型框架簡(jiǎn)化了構建量子算法以探索實(shí)用規模的方式?！边@是擴大量子計算范圍并使其成為現實(shí)的重要一步。作為科學(xué)探索工具提供給用戶(hù)?！?/p>

在接下來(lái)的幾年里，開(kāi)發(fā)和測試軟件將變得越來(lái)越重要，因為我們還不完全清楚，在嘈雜的系統上減少錯誤，或者在有限數量的糾錯量子比特上，能做些什么有用的事情。雖然很高興看到IBM在年底前實(shí)現了2023年的處理器目標，但更大的新聞可能是它的路線(xiàn)圖。在我們報道這個(gè)領(lǐng)域的整個(gè)過(guò)程中，人們一直在談?wù)撻_(kāi)發(fā)糾錯并展示它的小型演示。這是我們第一次看到以有用的形式顯示到達日期。

來(lái)源：https://arstechnica.com/science/2023/12/ibm-adds-error-correction-to-updated-quantum-computing-roadmap/

https://newsroom.ibm.com/2023-12-04-IBM-Debuts-Next-Generation-Quantum-Processor-IBM-Quantum-System-Two,-Extends-Roadmap-to-Advance-Era-of-Quantum-Utility